MPE Home Metamath Proof Explorer < Previous   Next >
Nearby theorems
Mirrors  >  Home  >  MPE Home  >  Th. List  >  gausslemma2d Structured version   Visualization version   GIF version

Theorem gausslemma2d 27707
Description: Gauss' Lemma (see also theorem 9.6 in [ApostolNT] p. 182) for integer 2: Let p be an odd prime. Let S = {2, 4, 6, ..., p - 1}. Let n denote the number of elements of S whose least positive residue modulo p is greater than p/2. Then ( 2 | p ) = (-1)^n. (Contributed by AV, 14-Jul-2021.)
Hypotheses
Ref Expression
gausslemma2d.p (𝜑 → 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}))
gausslemma2d.h 𝐻 = ((𝑃 − 1) / 2)
gausslemma2d.r 𝑅 = (𝑥 ∈ (1...𝐻) ↦ if((𝑥 · 2) < (𝑃 / 2), (𝑥 · 2), (𝑃 − (𝑥 · 2))))
gausslemma2d.m 𝑀 = (⌊‘(𝑃 / 4))
gausslemma2d.n 𝑁 = (𝐻 − 𝑀)
Assertion
Ref Expression
gausslemma2d (𝜑 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁))
Distinct variable groups:   𝑥,𝐻   𝑥,𝑃   𝜑,𝑥   𝑥,𝑀
Allowed substitution hints:   𝑅(𝑥)   𝑁(𝑥)

Proof of Theorem gausslemma2d
StepHypRef Expression
1 gausslemma2d.p . . 3 (𝜑 → 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}))
2 gausslemma2d.h . . 3 𝐻 = ((𝑃 − 1) / 2)
3 gausslemma2d.r . . 3 𝑅 = (𝑥 ∈ (1...𝐻) ↦ if((𝑥 · 2) < (𝑃 / 2), (𝑥 · 2), (𝑃 − (𝑥 · 2))))
4 gausslemma2d.m . . 3 𝑀 = (⌊‘(𝑃 / 4))
5 gausslemma2d.n . . 3 𝑁 = (𝐻 − 𝑀)
61, 2, 3, 4, 5gausslemma2dlem7 27706 . 2 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1)
7 eldifi 4067 . . . . . 6 (𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2}) → 𝑃 ∈ ℙ)
8 prmnn 16855 . . . . . . . 8 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℕ)
98nnred 12354 . . . . . . 7 (𝑃 ∈ ℙ → 𝑃 ∈ ℝ)
10 prmgt1 16879 . . . . . . 7 (𝑃 ∈ ℙ → 1 < 𝑃)
119, 10jca 521 . . . . . 6 (𝑃 ∈ ℙ → (𝑃 ∈ ℝ ∧ 1 < 𝑃))
12 1mod 14047 . . . . . 6 ((𝑃 ∈ ℝ ∧ 1 < 𝑃) → (1 mod 𝑃) = 1)
131, 7, 11, 124syl 20 . . . . 5 (𝜑 → (1 mod 𝑃) = 1)
1413eqcomd 2766 . . . 4 (𝜑 → 1 = (1 mod 𝑃))
1514eqeq2d 2771 . . 3 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1 ↔ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)))
16 neg1z 12736 . . . . . . . . . . 11 -1 ∈ ℤ
171, 4, 2, 5gausslemma2dlem0h 27696 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℕ0)
18 zexpcl 14223 . . . . . . . . . . 11 (( -1 ∈ ℤ ∧ 𝑁 ∈ ℕ0) → ( -1↑𝑁) ∈ ℤ)
1916, 17, 18sylancr 599 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑𝑁) ∈ ℤ)
20 2nn 12420 . . . . . . . . . . . . 13 2 ∈ ℕ
2120a1i 11 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 2 ∈ ℕ)
221, 2gausslemma2dlem0b 27690 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝐻 ∈ ℕ)
2322nnnn0d 12671 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → 𝐻 ∈ ℕ0)
2421, 23nnexpcld 14393 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℕ)
2524nnzd 12723 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℤ)
2619, 25zmulcld 12813 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℤ)
2726zred 12807 . . . . . . . 8 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ)
28 1red 11313 . . . . . . . 8 (𝜑 → 1 ∈ ℝ)
2927, 28jca 521 . . . . . . 7 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ))
3029adantr 486 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ))
311gausslemma2dlem0a 27689 . . . . . . . . 9 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℕ)
3231nnrpd 13166 . . . . . . . 8 (𝜑 → 𝑃 ∈ ℝ+)
3319, 32jca 521 . . . . . . 7 (𝜑 → (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+))
3433adantr 486 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+))
35 simpr 490 . . . . . 6 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃))
36 modmul1 14071 . . . . . 6 ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) ∈ ℝ ∧ 1 ∈ ℝ) ∧ (( -1↑𝑁) ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ ℝ+) ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃))
3730, 34, 35, 36syl3anc 1398 . . . . 5 ((𝜑 ∧ ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃)) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃))
3837ex 418 . . . 4 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃) → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃)))
3919zcnd 12808 . . . . . . . . 9 (𝜑 → ( -1↑𝑁) ∈ ℂ)
4024nncnd 12355 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (2↑𝐻) ∈ ℂ)
4139, 40, 39mul32d 11524 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) = ((( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) · (2↑𝐻)))
4217nn0cnd 12673 . . . . . . . . . . . . 13 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℂ)
43422timesd 12593 . . . . . . . . . . . 12 (𝜑 → (2 · 𝑁) = (𝑁 + 𝑁))
4443eqcomd 2766 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → (𝑁 + 𝑁) = (2 · 𝑁))
4544oveq2d 7437 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(𝑁 + 𝑁)) = ( -1↑(2 · 𝑁)))
46 neg1cn 12309 . . . . . . . . . . . 12 -1 ∈ ℂ
4746a1i 11 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → -1 ∈ ℂ)
4847, 17, 17expaddd 14295 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(𝑁 + 𝑁)) = (( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)))
4917nn0zd 12722 . . . . . . . . . . 11 (𝜑 → 𝑁 ∈ ℤ)
50 m1expeven 14256 . . . . . . . . . . 11 (𝑁 ∈ ℤ → ( -1↑(2 · 𝑁)) = 1)
5149, 50syl 18 . . . . . . . . . 10 (𝜑 → ( -1↑(2 · 𝑁)) = 1)
5245, 48, 513eqtr3d 2803 . . . . . . . . 9 (𝜑 → (( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) = 1)
5352oveq1d 7436 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · ( -1↑𝑁)) · (2↑𝐻)) = (1 · (2↑𝐻)))
5440mullidd 11331 . . . . . . . 8 (𝜑 → (1 · (2↑𝐻)) = (2↑𝐻))
5541, 53, 543eqtrd 2799 . . . . . . 7 (𝜑 → ((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) = (2↑𝐻))
5655oveq1d 7436 . . . . . 6 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((2↑𝐻) mod 𝑃))
5739mullidd 11331 . . . . . . 7 (𝜑 → (1 · ( -1↑𝑁)) = ( -1↑𝑁))
5857oveq1d 7436 . . . . . 6 (𝜑 → ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃))
5956, 58eqeq12d 2776 . . . . 5 (𝜑 → ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) ↔ ((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃)))
602oveq2i 7432 . . . . . . . 8 (2↑𝐻) = (2↑((𝑃 − 1) / 2))
6160oveq1i 7431 . . . . . . 7 ((2↑𝐻) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃)
6261eqeq1i 2765 . . . . . 6 (((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) ↔ ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃))
63 2z 12732 . . . . . . . . . 10 2 ∈ ℤ
64 lgsvalmod 27649 . . . . . . . . . 10 ((2 ∈ ℤ ∧ 𝑃 ∈ (ℙ ∖ {2})) → ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃))
6563, 1, 64sylancr 599 . . . . . . . . 9 (𝜑 → ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃))
6665eqcomd 2766 . . . . . . . 8 (𝜑 → ((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = ((2 /L 𝑃) mod 𝑃))
6766eqeq1d 2762 . . . . . . 7 (𝜑 → (((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) ↔ ((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃)))
681, 4, 2, 5gausslemma2dlem0i 27697 . . . . . . 7 (𝜑 → (((2 /L 𝑃) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
6967, 68sylbid 243 . . . . . 6 (𝜑 → (((2↑((𝑃 − 1) / 2)) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7062, 69biimtrid 245 . . . . 5 (𝜑 → (((2↑𝐻) mod 𝑃) = (( -1↑𝑁) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7159, 70sylbid 243 . . . 4 (𝜑 → ((((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) = ((1 · ( -1↑𝑁)) mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7238, 71syld 48 . . 3 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = (1 mod 𝑃) → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
7315, 72sylbid 243 . 2 (𝜑 → (((( -1↑𝑁) · (2↑𝐻)) mod 𝑃) = 1 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁)))
746, 73mpd 16 1 (𝜑 → (2 /L 𝑃) = ( -1↑𝑁))
Colors of variables:    wff setvar class
This proof depends on syntax axioms:   → wi 4   ∧ wa 401   = wceq 1569   ∈ wcel 2144   ∖ cdif 4045  ifcif 4481  {csn 4584   class class class wbr 5102   ↦ cmpt 5185  ‘cfv 6539  (class class class)co 7421  ℂcc 11202  ℝcr 11203  1c1 11205   + caddc 11207   · cmul 11209   < clt 11347   − cmin 11545   -cneg 11546   / cdiv 11977  ℕcn 12339  2c2 12401  4c4 12403  ℕ0cn0 12610  ℤcz 12697  ℝ+crp 13124  ...cfz 13643  ⌊cfl 13934   mod cmo 14013  ↑cexp 14208  ℙcprime 16852   /L clgs 27627
This proof depends on axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-3 8  ax-gen 1827  ax-4 1841  ax-5 1942  ax-6 1999  ax-7 2040  ax-8 2146  ax-9 2154  ax-10 2177  ax-11 2193  ax-12 2212  ax-ext 2732  ax-rep 5231  ax-sep 5248  ax-nul 5259  ax-pow 5326  ax-pr 5390  ax-un 7752  ax-inf2 9646  ax-cnex 11260  ax-resscn 11261  ax-1cn 11262  ax-icn 11263  ax-addcl 11264  ax-addrcl 11265  ax-mulcl 11266  ax-mulrcl 11267  ax-mulcom 11268  ax-addass 11269  ax-mulass 11270  ax-distr 11271  ax-i2m1 11272  ax-1ne0 11273  ax-1rid 11274  ax-rnegex 11275  ax-rrecex 11276  ax-cnre 11277  ax-pre-lttri 11278  ax-pre-lttrn 11279  ax-pre-ltadd 11280  ax-pre-mulgt0 11281  ax-pre-sup 11282
This proof depends on definitions:  df-bi 210  df-an 402  df-or 862  df-3or 1104  df-3an 1105  df-tru 1572  df-fal 1582  df-ex 1812  df-nf 1816  df-sb 2099  df-mo 2564  df-eu 2594  df-clab 2739  df-cleq 2752  df-clel 2835  df-nfc 2909  df-ne 2956  df-nel 3062  df-ral 3077  df-rex 3087  df-rmo 3365  df-reu 3366  df-rab 3413  df-v 3452  df-sbc 3739  df-csb 3847  df-ss 3896  df-pss 4014  df-dif 4047  df-in 4091  df-un 4151  df-nul 4279  df-if 4482  df-pw 4558  df-sn 4585  df-pr 4587  df-tp 4589  df-op 4835  df-uni 4867  df-int 4907  df-iun 4952  df-br 5103  df-opab 5167  df-mpt 5186  df-tr 5212  df-id 5545  df-eprel 5550  df-po 5558  df-so 5559  df-fr 5603  df-se 5604  df-we 5605  df-xp 5656  df-rel 5657  df-cnv 5658  df-co 5659  df-dm 5660  df-rn 5661  df-res 5662  df-ima 5663  df-pred 6304  df-ord 6365  df-on 6366  df-lim 6367  df-suc 6368  df-iota 6494  df-fun 6541  df-fn 6542  df-f 6543  df-f1 6544  df-fo 6545  df-f1o 6546  df-fv 6547  df-isom 6548  df-riota 7378  df-ov 7424  df-oprab 7425  df-mpo 7426  df-om 7879  df-1st 8002  df-2nd 8003  df-frecs 8303  df-wrecs 8334  df-recs 8383  df-rdg 8422  df-1o 8480  df-2o 8481  df-oadd 8484  df-er 8721  df-en 8978  df-dom 8979  df-sdom 8980  df-fin 8981  df-sup 9438  df-inf 9439  df-oi 9508  df-dju 9986  df-card 10024  df-pnf 11349  df-mnf 11350  df-xr 11351  df-ltxr 11352  df-le 11353  df-sub 11547  df-neg 11548  df-div 11978  df-nn 12340  df-2 12409  df-3 12410  df-4 12411  df-5 12412  df-6 12413  df-n0 12611  df-xnn0 12684  df-z 12698  df-uz 12970  df-q 13080  df-rp 13125  df-ioo 13484  df-fz 13644  df-fzo 13793  df-fl 13936  df-mod 14014  df-seq 14149  df-exp 14209  df-fac 14422  df-hash 14479  df-cj 15272  df-re 15273  df-im 15274  df-sqrt 15408  df-abs 15409  df-clim 15661  df-prod 16079  df-dvds 16429  df-gcd 16671  df-prm 16853  df-phi 16949  df-pc 17021  df-lgs 27628
This theorem is used by:  2lgs  27740
  Copyright terms: Public domain W3C validator